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Die Erfindung betrifft eine elektronische Schaltung für eine Impulsmagnetventil und ein entsprechendes Impulsmagnetventil.
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Impulsmagnetventile sind generell bekannt. Üblicherweise ist bei diesen Magnetventilen ein Permanentmagnet integriert, der in den vorgesehenen Schaltstellungen zum Öffnen und Schließen des Ventils ein Betätigungselement in einer Endlage hält. Der Vorteil von Impulsmagnetventilen ist, dass sie sehr energieeffizient sind, weil nur zum Umschalten ein kurzer Stromimpuls benötigt wird. Einer Spule bzw. Impulsmagnetspule wird jeweils ein Anzugsstrom oder ein Abfallstrom zugeführt. Bei Magnetventilen, die nicht als Impulsmagnetventile ausgeführt sind, ist demgegenüber während des Betriebs eine Dauerbestromung erforderlich.
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Die
EP 0 101 527 B1 zeigt beispielsweise ein Impulsmagnetventil mit einer Permanentmagnetanordnung, die außen um ein Kernführungsrohr herum auf seinem einen Ende aufgesetzt ist. Dabei sind mehrere Permanentmagnete in einer dafür vorgesehenen Halterung eingesetzt.
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Zum Betreiben der vorgenannten Impulsmagnetventile werden elektronische Schaltungen eingesetzt, die für eine Spule mit einer Wicklung und Umpolung ausgelegt sind. Diese Schaltungen weisen zwei maßgebliche Anschlussknoten bzw. Pole auf, an die eine Spannung jeweils mit einer und der entgegensetzten Polarität angelegt wird. Diese Schaltungen werden auch als 2-polige Variante bezeichnet. Eine andere Schaltungsvariante ist für eine andere Art von Spulen ausgelegt, die eine Anzugs- und eine Abfallwicklung aufweisen. Diese Variante der Schaltung hat drei maßgebliche Anschlussknoten bzw. Pole und wird daher auch als 3-polige Variante bezeichnet. Hierbei muss die angelegte Spannung nicht umgepolt werden. Die Spannung für den Anzugstrom wird zwischen einen Pin und Masse angelegt, während die Spannung für den Abfallstrom zwischen einen anderen Pin und Masse angelegt wird.
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Es ist eine Aufgabe der Erfindung eine elektronische Schaltung bereitzustellen, welche für beide Impulsmagnetspulenarten verwendbar ist und sowohl als 2-polige Variante als auch als 3-polige Variante arbeiten kann, ohne dass der Schaltungsaufwand der Summe beider Schaltungen entspricht.
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Die Aufgabe wird gelöst mit einer Schaltungsanordnung und/oder einer Vorrichtung gemäß einem oder mehreren Aspekten der Erfindung.
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Gemäß einem Aspekt der Erfindung wird eine Schaltungsanordnung für ein Impulsmagnetventil bereitgestellt. Das Impulsmagnetventil kann eine erste und eine zweite Spule aufweisen. Die Schaltungsanordnung weist einen ersten Anschlussknoten, einen zweiten Anschlussknoten und einen dritten Anschlussknoten auf. Die Anschlussknoten können als Pins, Pole oder Klemmen ausgeführt sein. Die drei Anschlussknoten sind ausgestaltet, um die erste Spule zwischen den ersten Anschlussknoten und zweiten Anschlussknoten zu koppeln und die zweite Spule zwischen den ersten Anschlussknoten und dritten Anschlussknoten zu koppeln, sowie in einer ersten Konfiguration die erste Spule und die zweite Spule mittels des ersten Anschlussknotens und des zweiten Anschlussknotens in einer ersten und einer zweiten Betriebsart zu betreiben und um in einer zweiten Konfiguration die erste Spule und die zweite Spule mittels des ersten Anschlussknotens, des zweiten Anschlussknotens und des dritten Anschlussknotens in einer ersten und einer zweiten Betriebsart zu betreiben.
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Der Begriff „koppeln” ist im vorliegenden Kontext so zu verstehen, dass er ein direktes unmittelbares elektrisches Kontaktieren meinen kann, jedoch auch den Fall umfasst, in dem sich zwischen den elektrischen Anschlüssen der Komponenten auch noch weitere andere elektrische Komponenten oder Bauteile befinden können. Im Umkehrschluss heißt es also nicht, wenn ein Bauteil zwischen zwei Knoten gekoppelt ist, dass nicht auch noch andere Bauteile in Reihe und/oder parallel zu diesem Bauteil geschaltet sein können.
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Das Betreiben der Schaltungsanordnung mittels der Anschlussknoten bedeutet das Anlegen von Strom und/oder Spannung zwischen die Knoten. Dieses Anlegen von Spannung und/oder Strom erfolgt typischerweise für Impulsmagnetventile nur vorübergehend also in Pulsen bzw. Impulsen. Die dafür erforderlichen Quellen sind nicht in der Schaltungsanordnung gemäß den Aspekten der Erfindung enthalten.
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Der Vorteil der Schaltungsanordnung gemäß den vorstehenden Aspekten der Erfindung besteht darin, dass die Schaltungsanordnung sowohl für den 2-poligen Betrieb als auch für den 3-poligen Betrieb eingesetzt werden kann. Im 2-poligen Betrieb werden Ströme und/oder Spannung nur zwischen den ersten Anschlussknoten und den zweiten Anschlussknoten gelegt. In der zweiten Konfiguration werden Ströme und/oder Spannungen zwischen den ersten und dritten Anschlussknoten, und den zweiten und dritten Anschlussknoten gelegt. Der dritte Anschlussknoten kann im Kontext der vorliegenden Erfindung auf einem Massepotential liegen.
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Gemäß einem Aspekt der Erfindung erfolgt in der ersten Konfiguration und der ersten Betriebsart ein erster Stromfluss durch die erste Spule und durch die zweite Spule in eine erste Richtung, wenn eine Spannung zwischen dem ersten Anschlussknoten und dem zweiten Anschlussknoten eine erste Polarität besitzt. So wird bspw. eine positive Spannung zwischen den ersten Anschlussknoten und den zweiten Anschlussknoten gelegt. Das höhere Spannungspotential liegt dann also am ersten Anschlussknoten. Dann fließt ein Strom vom ersten Anschlussknoten durch die erste Spule nach Masse. Ebenso fliest ein Strom vom ersten Anschlussknoten durch die zweite Spule nach Masse.
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Diese erste Betriebsart wird im vorliegenden Kontext auch Betriebsart „Anzug” genannt. In dieser Betriebsart wird bezogen auf ein Impulsmagnetventil, wie es weiter unten noch genauer beschrieben wird, ein beweglicher Kern angezogen. Vorteilhaft ist es dazu vorübergehend beide Spulen mit Strom zu versorgen, da hierdurch die Kraft für das Anziehen des beweglichen Kerns erhöht wird.
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Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung kann in der ersten Konfiguration ein zweiter Stromfluss entgegengesetzt zum ersten Stromfluss nur durch die erste Spule erfolgen, wenn die Spannung zwischen dem ersten Anschlussknoten und dem zweiten Anschlussknoten eine zweite Polarität besitzt, wodurch die zweite Betriebsart ausgeführt wird. Die zweite Polarität ist dann umgekehrt zur ersten Polarität.
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Diese zweite Betriebsart wird im vorliegenden Kontext auch Betriebsart „Abfall” genannt. In dieser Betriebsart wird bezogen auf ein Impulsmagnetventil, wie es weiter unten noch genauer beschrieben wird, ein beweglicher Kern abgesenkt, also entgegengesetzt zur Betriebsart „Anzug” bewegt. Vorteilhaft ist es dazu nur eine der beiden Spulen mit Strom zu versorgen, da hierfür keine so große Kraft benötigt wird, wie für das Anziehen des beweglichen Kerns.
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In der ersten Konfiguration muss die Spannung (oder auch Strom) umgepolt werden, wenn von der ersten in die zweite Betriebsart übergegangen werden soll. Sie ist bspw. für den Fall vorgesehen, dass es nur eine Spule mit einer Wicklung gibt, welche in entgegensetzte Richtungen von Strom durchflossen werden muss, um das anziehen und absenken des beweglichen Kerns zu ermöglichen.
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Gemäß Aspekten der Erfindung ist ein Umpolen der Spannungen bzw. Ströme in der zweiten Konfiguration vorteilhafter Weise nicht erforderlich. Um das zu vermeiden sind drei Anschlussknoten vorgesehen, die in der zweiten Konfiguration auch alle drei mit Spannung bzw. Strom belegt werden, je nach dem welche der beiden Betriebsarten (Anzug bzw. Abfall, wie zuvor beschrieben) durchgeführt werden soll.
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So kann in der zweiten Konfiguration und der ersten Betriebsart ein dritter Stromfluss durch die erste Spule und durch die zweite Spule erfolgen, wenn eine positive Spannung zwischen dem ersten Anschlussknoten und dem dritten Anschlussknoten anliegt.
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Ferner kann in der zweiten Konfiguration ein vierter Stromfluss entgegengesetzt zum dritten Stromfluss nur durch die erste Spule erfolgen, wenn eine positive Spannung zwischen dem zweiten Anschlussknoten und dem dritten Anschlussknoten anliegt.
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Diese Aspekte der Erfindung ermöglichen die beiden Betriebsarten, ohne dass die Spannungen und/oder Ströme umgepolt werden müssen.
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Sowohl in der ersten Konfiguration als auch in der zweiten Konfiguration kann der Stromfluss durch die zweite Spule vorteilhaft durch Komponenten in der Schaltungsanordnung zeitlich begrenzt sein. Das ermöglicht es, dass in Fällen in denen der Strom durch die erste Spule lange zu halten ist, die zweite Spule nach einer gewissen Zeit abgeschaltet wird. Das ist dann möglich, wenn sich der bewegliche Kern ausreichend dicht am Stopfen des Impulsmagnetventils befindet und die aufzubringende Kraft für das Anziehen aufgrund der Verkleinerung des Luftspalts zwischen Stopfen und beweglichem Kern kleiner wird.
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Gemäß einem weiteren vorteilhaften Aspekt der Erfindung, kann die Schaltungsanordnung von der ersten Konfiguration in die zweite Konfiguration lediglich durch Bereitstellen oder Entfernen eines einzigen Kontaktmittels überführbar sein. Das Kontaktmittel kann eine einfache Drahtbrücke oder eine Steckbrücke (auch als Jumper bezeichnet) sein. Allerdings kommt auch eine elektronische Konfigurierung mittels elektronischer Speichermittel oder elektronischer Schaltmittel in Betracht. Auch das Entfernen von elektrischen Verbindung kann zur Änderung der Konfiguration der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung eingesetzt werden.
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In einem vorteilhaften Ausführungsbeispiel der Erfindung kann ein erster Schalter zwischen den ersten Anschlussknoten und Masse gekoppelt sein, der so betrieben wird, dass er stromleitend wird (also eine stromleitende Verbindung zwischen dem ersten Anschlussknoten und Masse bereitstellt), wenn eine positive Spannung zwischen dem zweiten Anschlussknoten und Masse anliegt und der erste Schalter ansonsten nicht stromleitend ist.
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Es kann vorteilhaft ein erster Widerstand zwischen den zweiten Anschlussknoten und Masse gekoppelt sein. Die Spannung über dem ersten Widerstand (also ein Spannungsabfall am Widerstand) kann zur Steuerung des ersten Schalters verwendet werden.
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Dieser einfache Aufbau benötigt nur eine geringe Anzahl an Bauteilen und wirkt sich daher positiv auf die Qualität und Robustheit (geringe Fehleranfälligkeit) und die Kosten aus.
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Vorteilhaft kann ein zweiter Schalter zwischen den zweiten Anschlussknoten und Masse gekoppelt sein, der so betrieben wird, dass er stromleitend wird (eine stromleitende Verbindung zwischen dem zweiten Anschlussknoten und Masse bereitstellt), wenn eine positive Spannung zwischen dem ersten Anschlussknoten und Masse anliegt und ansonsten nicht stromleitend ist.
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Ein zweiter Widerstand kann zwischen den ersten Anschlussknoten und Masse gekoppelt sein, wobei eine Spannung über dem zweiten Widerstand zur Steuerung des zweiten Schalters verwendet wird.
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Auch dieser einfache Aufbau benötigt nur eine geringe Anzahl an Bauteilen und wirkt sich daher positiv auf die Qualität und Robustheit (geringe Fehleranfälligkeit) und die Kosten aus.
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Vorteilhaft kann die Schaltungsanordnung auch noch eine Diode und einen dritten Schalter umfassen. Die zweite Spule kann mit einer ersten Seite an den ersten Anschlussknoten, mit einer zweiten Seite an eine Anode der Diode gekoppelt sein. Eine Kathode der Diode kann an eine erste Seite des dritten Schalters und die zweite Seite des dritten Schalters an Masse gekoppelt sein.
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In einem Ausführungsbeispiel der Erfindung kann die Schaltungsanordnung ferner einen Kondensator und einen dritten Widerstand umfassen, wobei der Kondensator mit einer ersten Seite an den ersten Anschlussknoten und mit einer zweiten Seite an eine erste Seite des dritten Widerstand gekoppelt sein und der dritte Widerstand kann mit einer zweiten Seite an Masse gekoppelt sein.
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Der dritte Schalter kann so eingerichtet sein, dass er wenigstens vorübergehend stromleitend wird, wenn eine positive Spannung zwischen dem ersten Anschlussknoten und Masse anliegt. Eine Spannung über dem dritten Widerstand kann zur Steuerung des dritten Schalters verwendet werden.
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Die vorstehenden Aspekte ermöglichen ein nur zeitlich begrenztes Einschalten der zweiten Spule, was sich vorteilhaft auf den Stromverbrauch auswirkt. Außerdem wird verhindert, dass die zweite Spule in umgekehrte Richtung von Strom durchflossen wird, was insbesondere in der zweiten Betriebsart vorteilhaft ist.
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Die Betriebsart „Anzug” kann vorteilhaft dahingehend ergänzt werden, dass die erste Spule nachdem der bewegliche Kern angezogen wurde, weiter mit einem geringen Strom durchflossen wird. Dies kann als Betriebsart „Halten” bezeichnet werden. Die erste Spule kann dann den Haltevorgang des beweglichen Kerns unterstützen.
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Der Erfindung stellt ebenfalls eine Vorrichtung bereit welche eine Schaltungsanordnung gemäß den Aspekten der Erfindung und ein Impulsmagnetventil umfasst.
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Ein vorteilhafte Ausgestaltung eines Impulsmagnetventils gemäß Aspekten der Erfindung umfasst mindestens eine Magnetspule, einen Magnetkreis, der ein feststehendes Joch und einen beweglichen Magnetkern aufweist, und einen Permanentmagneten, der so in den Magnetkreis aufgenommen ist, dass er den Magnetkreis abschnittsweise unterbricht, wobei jeweils ein erster Abschnitt und ein zweiter Abschnitt des Magnetkreises an entgegengesetzten Seiten des Permanentmagneten diesen unmittelbar kontaktieren, vorzugsweise vollflächig. Dadurch wird der Permanentmagnet magnetisch äußerst effizient in den Magnetkreis integriert, weil zwischen den aneinander angrenzenden Magnetkreisabschnitten und dem Permanentmagnet kein Luftspalt oder ein zusätzliches, zwischengeschaltetes Verbindungsmittel wie zum Beispiel eine Klebeschicht benötigt wird. Eine Klebeschicht würde magnetkraftschwächend als Luftspalt wirken.
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Der Magnetkreis verläuft abschnittsweise längs eines Eisenkreises.
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Der erste und zweite Abschnitt des Magnetkreises werden insbesondere über ein Befestigungselement direkt miteinander verbunden. Dabei kann es bevorzugt sein, dass der Permanentmagnet aufgrund des Befestigungselements zwischen gegenüberliegenden Abschnitten des Jochs geklemmt ist, wodurch Luftspalte vermieden werden.
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In einer bevorzugten Ausführungsform sind der Permanentmagnet und, falls vorhanden, das Befestigungselement als Teile des feststehenden Jochs ausgebildet. Dadurch sind der Permanentmagnet und das Befestigungselement keinen mechanischen Belastungen, wie eventuell auftretenden Stößen während des Umschaltprozesses, ausgesetzt, was die Stabilität des Systems erhöht.
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Der Permanentmagnet und das Befestigungselement können sowohl in einem Jochblech angeordnet sein, das inner-, ober- oder unterhalb der Magnetspule angeordnet ist, oder in einem Jochblech, das neben der Magnetspule positioniert und Teil des Magnetkreises ist.
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Generell kann eine oder können mehrere Magnetspulen vorhanden sein.
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Alternativ ist es aber auch möglich, dass der Permanentmagnet und das Befestigungselement im beweglichen Magnetkern angeordnet sind. Zur Stabilisierung können Dämpfungselemente eingesetzt werden.
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Das Befestigungselement ist in einer Ausführungsform aus magnetischem, insbesondere weichmagnetischem Material ausgebildet. Dadurch wird der Magnetkreis beeinflusst und kann den jeweiligen Anwendungswünschen gemäß abhängig von den magnetischen Eigenschaften des Befestigungselements ausgelegt werden, wie im Folgenden im Detail erklärt wird.
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Der Magnetfluss des Magnetkreises wird in Impulsmagnetventilen zu einem Teil durch den Permanentmagneten generiert und zu einem Teil durch die Magnetspule. Je nach Richtung der magnetischen Feldlinien des Permanentmagneten und der Feldlinien, die durch die Magnetspule erzeugt werden, addieren oder subtrahieren sich die beiden Magnetfelder.
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Das magnetische Befestigungselement bewirkt in Abhängigkeit von der Stärke der Strombeaufschlagung der Magnetspule eine Aufspaltung der Magnetflusslinien in einen Hauptfluss und einen Nebenfluss.
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Im Ausgangszustand des Impulsmagnetventils ohne Bestromung der Magnetspule wirkt allein die Magnetkraft des Permanentmagneten. Der Magnetfluss teilt sich aber entsprechend der magnetischen Widerstände auf in einen Anteil, dem Hauptfluss, der über den Permanentmagneten, den ersten Abschnitt des Magnetkreises und den zweiten Abschnitt des Magnetkreises fließt, wobei sich die Feldlinien über den gesamten Magnetkreis erstrecken, und in einen Anteil, dem Nebenfluss, der über den Permanentmagneten, einen Teil des ersten Abschnitts des Magnetkreises über das magnetische Befestigungselement direkt auf kürzestem Weg zum zweiten Abschnitt des Magnetkreises und wieder zurück zum Permanentmagneten fließt.
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Durch den Nebenfluss wird beim Schalten im Endzustand eine höhere Magnetkraft erreicht.
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Beim Nebenfluss handelt es sich um eine Art von magnetischem Kurzschluss der beiden Teilabschnitte des Magnetkreises und den Permanentmagneten durch das magnetische Befestigungselement.
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Wird die Magnetspule mit einem Strom in positiver Richtung beaufschlagt, das heißt die vom Permanentmagneten und von der Magnetspule erzeugten Magnetflüsse verlaufen in derselben Richtung, so bleibt die Aufteilung des Magnetflusses in einen Hauptfluss- und einen Nebenflussanteil bestehen, solange der von der Magnetspule erzeugte Magnetfluss kleiner ist als der vom Permanentmagneten erzeugte Magnetfluss.
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Wird der Magnetspulenstrom auf einen Wert erhöht, bei dem der von der Magnetspule erzeugte Magnetfluss gleich groß ist wie der des Permanentmagneten, so entfällt der Nebenfluss und der gesamte Magnetfluss läuft entlang des gesamten Magnetkreises.
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Eine weitere Erhöhung des Magnetspulenstroms führt zu einer stärkeren Erhöhung der Gesamtmagnetkraft, die im Magnetkreis verfügbar ist und die zum Anziehen eines Betätigungselements im Magnetventil genutzt werden kann, als ohne weichmagnetisches Befestigungselement. Im Gegensatz zu Ausführungen ohne magnetisches Befestigungselement überbrückt das magnetische Befestigungselement den Permanentmagneten.
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Ohne das weichmagnetische Befestigungselement wirkt der Permanentmagnet wie ein Luftspalt für den Anteil des Magnetflusses aus den Spulen oder der Spule, wenn der durch die Magnetspulen erzeugte Magnetfluss größer ist als der durch den Permanentmagneten erzeugte Magnetfluss.
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Zum Erreichen des Abfalls des Betätigungselements ist die Beaufschlagung der Magnetspule mit einem Abfallstrom notwendig. Da der magnetische Nebenfluss die im Magnetkreis wirkende Magnetkraft des Permanentmagneten herabsetzt, ist der benötigte Abfallstrom vorteilhaft niedriger als in einem Impulsmagnetventil ohne magnetisches Befestigungselement.
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Somit bewirkt das magnetische Befestigungselement im Vergleich zu einem Impulsmagnetventil herkömmlichen Aufbaus folgende vorteilhafte technischen Effekte: eine Erhöhung der zur Verfügung stehenden Anzugskraft, eine Reduzierung der Permanentmagnetkraft im Magnetkreis bei einer stromlosen Spule im abgefallenen Zustand, und es ist ein geringerer Abfallstrom notwendig.
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Bei Anwendungen, bei denen es vorrangig oder nur auf eine sehr große Haltekraft durch den Permanentmagneten ankommt, sollte ein Befestigungselement aus nichtmagnetischem Material verwendet werden.
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Das Befestigungselement ist vorzugsweise als massiver oder hohler Körper, insbesondere als Stift ausgebildet, der den ersten und zweiten Abschnitt des Magnetkreises miteinander verbindet. Eine Ausführung des Befestigungselements als separater Stift vereinfacht die Montage. Außerdem hat der Stift den Vorteil, dass er leicht ausgetauscht werden kann.
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Je nachdem aus welchem Material der Stift ausgebildet ist und abhängig von seiner Geometrie, wie seines Querschnitts, hat der Stift mehr oder weniger gute magnetische Eigenschaften, so dass der Nebenfluss schwächer oder stärker ausgeprägt ist. So kann die Strom-Kraft-Relation anwendungsspezifisch designt werden.
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Der Stift ist insbesondere ein Spiralspannstift, über den Toleranzen sehr leicht ausgeglichen werden können und der für einen sicheren Halt in Ausnehmungen in den zugeordneten Abschnitten des Jochs sorgt. Der Stift kann als separates Teil ausgebildet sein und in Ausnehmungen in gegenüberliegenden Abschnitten des Jochs ragen, die erste und zweite Abschnitte des Magnetkreises bildend.
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Das Befestigungselement kann aber auch ein einstückig an einem Abschnitt des Jochs angeformter Vorsprung sein, der zu einen anderen Abschnitt des Jochs ragt und diesen unmittelbar kontaktiert Es ist auch möglich, dass das Befestigungselement nicht stiftförmig ausgebildet ist, sondern dass es durch einen Teil des ersten oder zweiten Abschnitts des Jochs, beispielsweise als Wand ausgebildet ist, die den Permanentmagneten teilweise umgibt.
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Der Permanentmagnet ist in einer Ausführungsform in einer Ausnehmung im ersten oder zweiten Abschnitt des Magnetkreises angeordnet. Dann ist das Befestigungselement durch eine Wand gebildet, die die Ausnehmung umgibt.
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Wesentlich ist, dass das Befestigungselement den ersten und zweiten Abschnitt des Magnetkreises miteinander verbindet und mit dem Magnetkreis zusammenwirkt.
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Der Permanentmagnet weist in einer bevorzugten Ausführungsform einen Durchbruch auf, den das Befestigungselement durchragt.
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Dabei sind die Querschnitte des Durchbruchs und des Befestigungselements möglichst gleich oder nahezu gleich groß, um im Fall dass das Befestigungselement magnetisch ausgeführt ist, sich keine schädlichen Luftspalte ausbilden können.
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Eine Ausbildung des Stifts als Spiralspannstift hat den Vorteil, dass nur minimalste Luftspalte an den Verbindungsstellen zwischen den miteinander zu verbindenden Teilen auftreten, was sich günstig auf die im Magnetkreis verfügbare Magnetkraft auswirkt.
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Das Befestigungselement greift vorzugsweise mit einem Ende in eine Ausnehmung des ersten oder zweiten Abschnitts des Jochs. Um magnetische Verluste zu minimieren, werden Luftspalte möglichst gering gehalten. Teile, die der Magnetkreis aufweist, werden möglichst spaltfrei miteinander verbunden, beispielsweise verpresst.
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In einer Ausführungsform ist der Permanentmagnet ringförmig ausgeführt. Je nach Durchmesser der Öffnung wird die Magnetkraft des Permanentmagneten mehr oder weniger stark geschwächt. Bei dieser Ausführungsform sind radiale Luftspalte unschädlich.
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Die Magnetkraft des Permanentmagneten bestimmt die Haltekraft des Impulsmagnetventils.
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Die Magnetspule weist vorzugsweise einen Spulenkörper mit einem aufgeweiteten Ende auf. Der Spulenkörper umgibt Teile des feststehenden Jochs und/oder des beweglichen Magnetkerns. Dieser Teil des Jochs kann als zylindrischer, insbesondere kreiszylindrischer Jochbolzen ausgebildet sein. Vorteilhafterweise nimmt das aufgeweitete Ende den Permanentmagneten auf. Dadurch ist die Querschnittsfläche des Permanentmagneten größer als die des Jochs. So kann der durch den Durchbruch für das Befestigungselement im Permanentmagneten fehlende Eisenquerschnitt wieder mehr als ausgeglichen werden, was die im Magnetkreis wirkende Magnetkraft vergrößert.
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Der erste und der zweite Abschnitt des Magnetkreises sind z. B. durch einen ersten bzw. einen zweiten Abschnitt des Jochs gebildet, vorzugsweise durch einen ersten bzw. einen zweiten Abschnitt eines Jochbolzens oder Jochstopfens. Der erste und der zweite Abschnitt sind separat voneinander hergestellte Teile, die durch den Permanentmagneten beabstandet werden.
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Die separat hergestellten Teile sind bevorzugt nur durch das Befestigungselement miteinander verbunden, wobei der Permanentmagnet zwischen den Teilen geklemmt ist.
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Der erste Abschnitt und der zweite Abschnitt des Jochbolzens sollten denselben Querschnitt besitzen. Wenn der Permanentmagnet radial über den Außenumfang der Abschnitte des Jochbolzens hinausragt kann die magnetische Haltekraft des Permanentmagneten erhöht werden.
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Günstigerweise umfasst das Impulsmagnetventil zwei Magnetspulen (wie oben bezüglich der Schaltungsanordnung beschrieben), die räumlich nebeneinander angeordnet und getrennt voneinander ansteuerbar sind. Gerade bei Impulsmagnetventilen ist es von Vorteil, zwei Magnetspulen im Gerät zur Verfügung zu haben. Es kann eine Spule zur Erzeugung des Anzugsstroms verwendet werden und die andere für den Abfallstrom. Es gibt aber auch die Möglichkeit für den Anzugsstrom beide Spulen einzusetzen, wenn eine große Magnetkraft gebraucht wird. Außerdem können die beiden Spulen je nach Bedarf in Reihe oder parallel geschaltet werden. Der Aufbau mit zwei Magnetspulen ermöglicht eine hohe Flexibilität bezüglich eines effizienten Energiemanagements des Impulsmagnetventils.
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Wird in herkömmlichen Impulsmagnetventilen im Gegensatz dazu nur eine Spule verwendet, so werden häufig eine Anzugswicklung und eine Abfallswicklung mit entgegengesetzter Wickelrichtung eingesetzt, wobei die beiden Wicklungen übereinander angeordnet sind. Bei definierter Baugröße steht dann jeder Wicklung nur der halbe Wickelraum zur Verfügung, wodurch natürlich die Magnetkraft stark reduziert ist.
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Das feststehende Joch umfasst in einer Ausführungsform zwei parallele beabstandete Jochplatten, einen vorzugsweise senkrechten und diese verbindenden Jochbolzen und einen zum Jochbolzen im wesentlichen parallelen Jochstopfen, wobei der Jochbolzen und der Jochstopfen jeweils von einer Magnetspule umgeben sind. Bei dieser Anordnung sind beide Magnetspulen innerhalb eines gemeinsamen Magnetkreises angeordnet. Die Anzahl der Bauteile kann bei Verwendung möglichst vieler Gleichteile reduziert und so die Herstellungskosten niedrig gehalten werden.
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Die Magnetspule, die den Jochstopfen umgibt, nimmt in einer Ausführungsform ein zum Jochstopfen koaxiales Kernführungsrohr auf, wobei der Jochstopfen ein Ende des Kernführungsrohrs verschließt und im Kernführungsrohr der Magnetkern dem Jochstopfen gegenüberliegt und darin bewegbar angeordnet ist.
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Sind zwei parallele Spulen vorgesehen, werden insbesondere zwei baugleiche Magnetspulen eingesetzt. Allerdings können sich die Wickeldaten der beiden Magnetspulen unterscheiden.
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Je eine oder beide Magnetspulen sind als Anzug- und/oder Abfallspule bezüglich des Magnetankers schaltbar. Damit gibt es mehrere Möglichkeiten, die Spulen zu betreiben, wobei eine hohe Leistungseffizienz erreicht werden kann.
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Der Permanentmagnet, das magnetische Befestigungselement, das Magnetjoch, der bewegliche Kern und die wenigstens eine Magnetspule sind vorteilhaft so aufeinander abgestimmt, dass bei Beaufschlagung eines elektrischen Schaltimpulses auf die wenigstens eine Magnetspule in einem Anfangszustand ein dem Hauptfluss entsprechender Magnetkreis sowie ein innerhalb des Magnetkreises durch das magnetische Befestigungselement gebildeter kleinerer Magnetkreis, dem Nebenfluss, erzeugt werden. Dabei kann der kleine Magnetkreis je nach Bestromungsrichtung den Hauptkreis schwächen oder verstärken.
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In einem auf den Anfangszustand folgenden Zustand ist ein Kurzschluss über das magnetische Befestigungselement aufgehoben und der dem Hauptmagnetkreis entsprechende Magnetkreis verläuft durch das magnetische Befestigungselement. Der folgende Zustand wird erreicht, ohne dass von außen die Stromstärke erhöht wird, die angelegte Spannung bleibt gleich, die Stromstärke durch die Spule ändert sich selbständig.
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Weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung der Zeichnungen. Es zeigen:
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1 eine Längsschnittansicht durch eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Impulsmagnetventils,
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2 eine vereinfachte Darstellung einer Schaltungsanordnung gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung,
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3 eine Veranschaulichung der ersten Betriebsart der Schaltungsanordnung gemäß 2 in der ersten Konfiguration,
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4 eine Veranschaulichung der zweiten Betriebsart der Schaltungsanordnung gemäß 2 in der ersten Konfiguration,
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5 eine Veranschaulichung der ersten Betriebsart der Schaltungsanordnung gemäß 2 in der zweiten Konfiguration,
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6 eine Veranschaulichung der zweiten Betriebsart der Schaltungsanordnung gemäß 2 in der zweiten Konfiguration,
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7a bis 7d Detailschnitte von verschiedenen Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Impulsmagnetventils im Bereich des Permanentmagneten,
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8a und 8b vergrößerte Halbschnitte im Bereich des Permanentmagneten mit Magnetfeldlinien bei unterschiedlich großem von der Magnetspule erzeugten Magnetfluss, und
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9 ein Diagramm, welches die Magnetkraft in Abhängigkeit des Magnetspulenstroms zeigt.
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In 1 ist ein Impulsmagnetventil dargestellt, welches mit einem Hubankerantrieb arbeitet und mit einer elektronischen Schaltung gemäß Aspekten der Erfindung betrieben werden kann.
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Symbolisch ist ein Ventilsitz 10 dargestellt, der beispielsweise einen Zufluss oder einen Abfluss für ein Fluid bildet und als freies Ende eines Rohres dargestellt ist.
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Auf den Ventilsitz 10 kann im geschlossenen Zustand ein beweglicher Magnetkern 12 drücken, der an seinem dem Ventilsitz 10 zugewandten Ende beispielsweise einen Dichtkörper 14 aus einem besonderen Dichtmaterial, zum Beispiel aus einem elastischen Dichtmaterial, trägt.
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Der bewegliche Magnetkern 12, auch Hubanker genannt, wird in der dargestellten Ausführungsform durch eine ihn abschnittsweise umgebende Druckfeder 16 in Richtung Schließstellung vorgespannt.
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Eine Polhülse 18 umgibt den Magnetkern 12 und dient gleichzeitig als Abstützung für die Feder 16. An die Polhülse 18 schließt sich ein sogenanntes Kernführungsrohr 20 an, welches in der dargestellten Ausführungsform als dicke Linie eingezeichnet ist. Die Polhülse 18 und das Kernführungsrohr 20 können einstückig miteinander verbunden sein. Die Polhülse ist aus magnetischem Material, das Kernführungsrohr aus nicht magnetischem Material. Polhülse 18 und Kernführungsrohr 20 dienen unter anderem als Lager und Kontaktfläche für den in ihnen gleitenden Magnetkern 12.
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Der Magnetkern 12 ragt mit einem Ende in eine erste Spule 22, auch Kernspule genannt. Die Spule 22 ist auf einen rohrförmigen Spulenkörper 24 aufgewickelt, der innenseitig an das Kernführungsrohr 20 angrenzt.
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Im Bereich des ventilsitzseitigen Endes des Spulenkörpers 24 ist dieser mit einer Aufweitung 26 versehen, wobei diese Aufweitung 26 vorgesehen ist, um einen hülsenförmigen Ausläufer 28 der Polhülse 18 aufzunehmen.
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Die Aufweitung 26 an dem Spulenkörper 24 erlaubt es, dass die Polhülse teilweise in den Spulenkörper 26 und in die Spule 22 hineinragt, wodurch der magnetische Übergangswiderstand zum Kern verringert wird.
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Das Kernführungsrohr 20 wird an seinem dem Ventilsitz 10 entgegengesetzten Ende von einem sogenannten Jochstopfen 30 geschlossen, der ebenfalls in der Spule 22 angeordnet ist, aber teilweise aus ihr herausragt, und zwar nach oben in eine Jochbrücke 32, welche vorzugsweise plattenförmig ausgebildet ist.
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Zwischen dem Jochstopfen 30 und dem beweglichen Magnetkern 12 ist ein Luftspalt 34 vorhanden, der je nach Schaltzustand unterschiedlich groß ist oder sogar verschwindet.
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Eine zur Jochbrücke 32 vorzugsweise parallele, ebenfalls plattenförmige Jochbrücke 34 am entgegengesetzten Ende der Spule 22 nimmt den Ausläufer 28 der Polhülse 18 auf. Zwischen diesen Teilen besteht Kontakt, sodass hier kein Luftspalt vorhanden ist.
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Im Wesentlichen parallel zur ersten Spule 22 ist eine zweite Spule 36 (Jochspule) vorgesehen, die auf einem Spulenkörper 38 aufgewickelt ist, welcher vorzugsweise identisch in Form, Geometrie und Abmessungen zum Spulenkörper 24 ausgebildet ist, sodass hier Gleichteile verwendet werden können.
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Vorzugsweise ist die Spule 36 auch identisch zur Spule 22 aufgebaut.
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Magnetisch sind die Spulen 22, 36 durch die Jochbrücken 32, 34 miteinander gekoppelt sowie durch einen mehrstückigen Jochbolzen 40, welcher sich von einer Jochbrücke 32 zur gegenüberliegenden Jochbrücke 34 erstreckt und vorzugsweise in diese hineinragt.
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Der Jochbolzen 40 ist im Wesentlichen parallel zum Jochstopfen 30 angeordnet.
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Wie erläutert ist der Jochbolzen 40 mehrstückig ausgebildet, mit einem ersten Abschnitt 42, der ein erstes bolzenartiges Teil hat, welches sich gemäß der nicht einschränkend zu verstehenden Ausführungsform nach 1 von der Jochbrücke 32 bis annähernd zur Jochbrücke 34 erstreckt.
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Ein zweiter Abschnitt 44, gleichbedeutend mit einem zweiten Teil des Jochbolzens 40, erstreckt sich durch die Jochbrücke 34.
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Ein Permanentmagnet 46, hier in Form einer Scheibe, genauer gesagt einer Ringscheibe, ist zwischen den beiden Abschnitten 42, 44 angeordnet.
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Der Permanentmagnet 46 kontaktiert mit einer Seite 48, die im vorliegenden Fall eine plane Stirnseite ist, vollflächig eine gegenüberliegende Stirnseite 50 des Abschnitts 42, ohne dass ein Luftspalt oder ohne dass ein Klebstoff oder dergleichen zwischen beiden Teilen vorgesehen wäre. Auf der entgegengesetzten Seite 52, die vorzugsweise ebenfalls plan und parallel zur Seite 48 liegt, kontaktiert der Permanentmagnet 46 vollflächig den Abschnitt 44 des Jochbolzens 40, das heißt das entsprechende separate Teil. Auch hier ist ein vollflächiger Kontakt vorhanden, ohne einen Luftspalt oder ohne Klebstoff oder dergleichen zwischen diesen Teilen.
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Die Befestigung der Abschnitte 42, 44 und der entsprechenden Teile des Jochbolzens 40 erfolgt über ein oder mehrere Befestigungselemente 54.
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Diese Befestigungselemente 54 können verschiedenartig ausgeführt sein.
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Bei der in 1 gezeigten Ausführungsform ist das Befestigungselement 54 ein separater Stift, der sich durch einen Durchbruch im Permanentmagneten 46 erstreckt und vorzugsweise in komplementäre, stirnseitige Ausnehmungen in den Abschnitten 42, 44 ragt und in diese eingepresst ist.
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Die bevorzugte Ausführungsform sieht vor, dass der Stift als Spiralspannstift ausgeführt ist. Nur durch den Stift werden die Abschnitte 42, 44 permanent miteinander verbunden, unter Erzeugung einer Klemmkraft auf den Permanentmagneten 46. Weitere Befestigungsmittel zur Arretierung der Abschnitte 42, 44 und des Permanentmagneten sind nicht vorhanden.
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Die dargestellte Konstruktion ergibt einen Magnetkreis, hier einen Eisenkreis, der durch die jeweils aus weichmagnetischem Material bestehenden Jochplatten 32, 34, den Jochstopfen 30, den beweglichen Magnetkern 12, die Polhülse 18 und die Abschnitte 42, 44 des Magnetbolzens 40 zusammengesetzt ist. Der Magnetkern 12 bildet den beweglichen Teil des Magnetkreises. Die übrigen Teile das feststehende Joch.
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Der Permanentmagnet 46 ist in den Magnetkreis sehr effizient integriert. Der erste Abschnitt 42 und der zweite Abschnitt 44 bilden Magnetkreisabschnitte, zwischen denen der Permanentmagnet 46 sitzt, ohne dass ein Luftspalt zwischen den Magnetkreisabschnitten und dem Permanentmagneten 46 vorhanden wäre.
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Der Permanentmagnet 46 könnte auch in anderen Abschnitten des Magnetkreises, das heißt im Joch vorhanden sein.
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Dadurch, dass der Permanentmagnet 46 im feststehenden Teil des Jochs und nicht im beweglichen Teil, nämlich dem beweglichen Magnetkern 12 untergebracht ist, ist er keinen äußeren mechanischen Belastungen während des Umschaltens des Ventils ausgesetzt.
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Mit den Bezugszeichen 56-1, 56-2, 56-3 und 56-4 sind die elektrischen Anschlüsse der Spulen 22, 36 bezeichnet.
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Nachdem die beiden Spulenkörper 24, 38 identisch ausgeführt sind, hat auch der Spulenkörper 38 eine Aufweitung 26. Diese Aufweitung 26 kann zur Vergrößerung des Außendurchmessers des Permanentmagneten 46 ausgenutzt werden, der in diesem Bereich über den Außenumfang der ersten und zweiten Abschnitte 42, 44 ragt, wobei die Querschnitte der Abschnitte 42, 44 identisch sind. Durch den Durchbruch für das Befestigungselement 54 ergibt sich eine geringere Fläche und ein geringeres Volumen des Permanentmagneten 46, was durch die radiale Vergrößerung des Magneten 46 in die Aufweitung 26 hinein wieder kompensiert wird, womit die Haltekraft wieder erhöht wird.
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Bei der dargestellten Ausführungsform kontaktiert der Permanentmagnet 46 an seinem Außenumfang den rohrförmigen Spulenkörper 38 im Bereich der Aufweitung 26.
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Bei der gezeigten Ausführungsform sind die Magnetspulen 22, 36 getrennt voneinander ansteuerbar, wobei eine oder beide Magnetspulen als Anzug- und/oder Abfallspule einsetzbar sind, also als Spulen, die zum Abheben des Magnetkerns 12 vom Dichtsitz 18 bzw. zum Andrücken des Magnetkerns 12 an den Dichtsitz 18 einsetzbar sind.
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Das Befestigungselement 54 kann aus magnetischem, vorzugsweise weichmagnetischem Material sein oder auch nichtmagnetisch ausgebildet sein, was unterschiedliche Effekte mit sich bringt, wie im Folgenden noch näher erläutert wird.
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Dadurch, dass das Befestigungselement 54 in der dargestellten Ausführungsform ein separates Teil, hier ein separater Stift ist, lassen sich Maß- und Lagetoleranzen sehr einfach kompensieren, um die Abschnitte 42, 44 unter Zwischenschaltung des Permanentmagneten 46 miteinander zu verbinden.
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2 zeigt eine vereinfachte Darstellung einer elektronischen Schaltung gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung. Die Schaltung erlaubt es durch verschiedene Bestückungsvarianten in einer ersten Konfiguration als 2-polige Variante und in einer zweiten Konfiguration als 3-polige Variante zu arbeiten. Die Schaltung bietet also beide Anschlussmöglichkeiten und gewährleistet ein sicheres Umschalten von der Parallelschaltung beider Spulen (Anzug) zur Einzelschaltung mit einer Spule (Abfall) zu gewährleisten. Die Betriebsart „Anzug” kann auch dahingehend ergänzt werden, dass die erste Spule fortlaufend von einem geringen Strom durchflossen wird (die Stärke dieses Stroms kann bspw. geringer sein als der Strom durch die erste Spule während des Anziehens des beweglichen Kerns) um das Halten des beweglichen Kerns in der angezogenen Position zu unterstützen. Diese Betriebsart kann als Betriebsart „Halten” verstanden werden. In der Betriebsart „Halten” wird die Kraft des Permanentmagneten 46 von der ersten Spule unterstützt.
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Die Schaltungsanordnung weist grundsätzlich drei Anschlussknoten (oft auch bezeichnet als Anschlusspole, Anschlusspins oder Anschlussklemmen) auf, welche mit AN, AB und GND gekennzeichnet sind. Erfindungsgemäß kann die Schaltungsanordnung so konfiguriert sein, dass die Schaltung entweder lediglich mit den beiden Polen bzw. Pins AN und AB oder aber mit allen drei Polen/Pins AN, AB und GND betrieben wird. Die Schaltungsanordnung ist so eingerichtet, dass sie zum Betrieb der Spulen SP1 und SP2 dient, die vereinfachend ebenfalls eingezeichnet sind, jedoch Teil eines Impulsventils sind. Die Schaltung umfasst somit lediglich die Anschlussknoten 56-1, 56-2, 56-3 und 56-4, welche beispielsweise an das Impulsmagnetventil angeschlossen werden können, wie es in 1 dargestellt ist. Weiterhin umfasst die Schaltungsanordnung einen ersten Widerstand R1, einen ersten Schalter S1, einen zweiten Schalter S2, einen zweiten Widerstand R2, einen dritten Widerstand R3 und einen dritten Schalter S3. Ferner ist ein Kondensator C und eine Diode D vorgesehen. Schließlich findet sich ein Kontaktierungsmittel vorzugsweise eine Draht- oder Steckbrücke (auch als Jumper bezeichnet) zwischen dem Pin AB und dem Pin GND. Dieses Kontaktierungsmittel dient zur Konfigurierung der Schaltung von der ersten Konfiguration in die zweite Konfiguration und umgekehrt. Die erste Konfiguration wird im vorliegenden Kontext auch als erste Bestückungsvariante und die zweite Konfiguration als zweite Bestückungsvariante bezeichnet. Die Spule SP1 ist zwischen die Pins AN und AB geschaltet, bzw. kann zwischen diese geschaltet sein, in der Weise, dass sie mit Strom durchflossen werden kann. Der erste Widerstand R1 ist zwischen den Pin AB und GND geschaltet. Der erste Schalter S1 ist zwischen den Pin AN und GND geschaltet. Der zweite Schalter S2 ist zwischen den Pin AB und GND geschaltet. Der zweite Widerstand R2 ist zwischen den Pin AN und GND geschaltet. Der Kondensator C bildet mit dem dritten Widerstand R3 ein RC-Glied. Die Diode D ist in Reihe mit dem Schalter S3 geschaltet. Die Reihenschaltung der Diode D und des Schalters S3 liegen zwischen dem zweiten Anschluss 56-4 für die zweite Spule SP2 und GND. Die Spule SP2 ist zwischen den Pin AN und die Anode der Diode D geschaltet. Die Kathode der Diode D ist an die eine Seite des dritten Schalters S3 angeschlossen. Die jeweils über dem ersten Widerstand R1 abfallende Spannung wird zur Steuerung des ersten Schalters S1 verwendet. Die über dem zweiten Widerstand R2 abfallende Spannung wird zur Steuerung des zweiten Schalters S2 verwendet. Die über dem dritten Widerstand R3 abfallende Spannung wird zur Steuerung des Schalters S3 verwendet. Sobald ein ausreichender Spannungsabfall über dem ersten Widerstand R1 zu verzeichnen ist, wird der Schalter S1 in eine stromleitende Position gebracht (der Schalter wird geschossen). Gleiches gilt für den zweiten Widerstand R2 und den zweiten Schalter S2. Sobald hier eine ausreichende Spannung über den Widerstand R2 erfolgt, wird der zweite Schalter S2 in eine stromleitende Position gebracht, d. h. er wird geschlossen. Schließlich wird auch bei einem ausreichenden Spannungsabfall über den dritten Widerstand R3 der dritte Schalter S3 geschlossen und somit stromleitend.
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Die verschiedenen Betriebsarten der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung werden anhand der 3 bis 5 beschrieben.
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3 veranschaulicht eine Betriebsart der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung gemäß 2 in einer ersten Konfiguration und für eine erste Stromrichtung. Der Betrieb erfolgt hierbei lediglich mit zwei Polen, nämlich den beiden Polen bzw. Pins AN und AB. Der in 1 dargestellte Pin GND ist zwar vorhanden, wird aber nicht genutzt bzw. nach außen geführt. In dieser ersten Konfiguration bzw. Bestückungsvariante, in welcher lediglich mit zwei Polen gearbeitet wird, muss für die beiden Stromrichtungen oder Betriebsarten die Spannung an den Pins AN und AB umgepolt werden. Im vorliegenden Fall liegt die Spannung U vom Pin AN zum Pin AB an. Das Kontaktierungsmittel J ist gesetzt, d. h. eine Draht- oder Steckbrücke ist eingesetzt, wodurch ein Stromfluss durch das Kontaktierungsmittel ermöglicht wird. Der erste Widerstand R1 und der erste Schalter S1, sowie der zweite Schalter S2 und der zweite Widerstand R2 gemäß der 2 sind somit überbrückt. Sie sind daher in 3 nicht mehr dargestellt, obwohl sie in der vollständigen Schaltungsanordnung immer noch vorhanden sein können. Sie sind in dieser ersten Konfiguration jedenfalls unwirksam. Wird nun eine positive Spannung U zwischen AN und AB angelegt, so ergibt sich ein Strom ISP1 durch die Spule SP1 in der mittels durchgezogenem Pfeil angezeigten Richtung. Ebenso fließt ein Strom ISP2 durch die Spule SP2 in der mittels durchgezogenem Pfeil angezeigten Richtung, wobei der Strom ISP2 ebenfalls die Diode D und den Schalter S3 durchfließt. Die in 3 dargestellte Betriebsart entspricht der Betriebsart „Anzug”. Dies verweist darauf, dass in dieser Konfiguration ein beweglicher Kern 12 eines Impulsmagnetventils bspw. gemäß 1 angezogen wird. Nach einer gewissen Zeit, die durch die RC-Konstante R3·C vorgegeben ist, fällt die Spannung über dem dritten Widerstand R3 soweit ab, dass der Schalter S3 wieder geöffnet wird, d. h., er ist nicht mehr stromleitend. Dadurch wird ein weiterer Stromfluss durch die Spule SP2 verhindert. Der Strom durch die erste Spule SP1 kann, sobald der bewegliche Kern angezogen ist, ebenfalls ausgeschaltet werden. Die Spule SP1 kann aber auch weiterhin von einem geringen Strom durchflossen werden um das Halten des beweglichen Kerns zu unterstützen.
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4 veranschaulicht die erste Konfiguration bzw. Bestückungsvariante 2-polig der Schaltungsanordnung gemäß 2 für die Betriebsart „Abfall”. Dies bezieht sich darauf, dass in dieser Betriebsart, ein beweglicher Kern 12 des Impulsmagnetventils gemäß 1 in die entgegengesetzte Richtung bezüglich der Betriebsart „Anzug” gemäß 3 bewegt wird. Gegenüber 3, wird nun die Spannung zwischen die Pins AB und AN in umgekehrte Richtung angelegt. Die Spannung muss also von außen umgepolt werden. Sobald nun eine positive Spannung U von AB nach AN vorliegt, fließt ein Strom ISP1 von AB nach AN durch das Kontaktierungsmittel J und die Spule SP1. Die Diode D verhindert einen Strom in die andere Richtung durch die Spule SP2. Somit ist nur die Spule SP1 wirksam und zwar entgegengesetzt zur Betriebsart „Anzug”.
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5 zeigt die Schaltungsanordnung gemäß 2 in einer 3-poligen Bestückungsvariante, welche der zweiten Konfiguration entspricht und zwar in der Betriebsart „Anzug”. In dieser Bestückungsvariante bzw. Konfiguration, ist das Kontaktierungsmittel J entfernt, und daher in den 5 und 6 nicht mehr dargestellt. Wird nun eine positive Spannung U zwischen die Pins AN und GND angelegt, so ergibt sich ein Strom ISP1 durch die Spule SP1 und den Schalter S2, der unmittelbar nach Anlegen der Spannung geschlossen, also stromleitend ist. So lange die Spannung U anliegt, bleibt der Schalter stromleitend.
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Ebenso ist der Schalter S3 unmittelbar nach Anlegen der Spannung leitend, da die Spannung am Knoten zwischen C und R3 unmittelbar nach dem Anlegen der Spannung U am Konten AN der Spannung U am Knoten AN entspricht. Dadurch ergibt sich ein vorübergehender Strom ISP2 durch die Spule SP2, die Diode D und den Schalter S3.
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Die Ströme ISP1 und ISP2 sind wieder mit durchgezogenen Pfeilen verdeutlicht. Nach einer vom RC-Glied R3·C vorgegebenen Zeitspanne fällt die Spannung über dem Widerstand R3 soweit ab, dass der Schalter S2 geöffnet, also nicht mehr stromleitend wird. Der Strom durch die erste Spule SP1 kann, sobald der bewegliche Kern angezogen ist, ebenfalls ausgeschaltet werden. Die Spule SP1 kann aber auch weiterhin von einem geringen Strom durchflossen werden um das Halten des beweglichen Kerns zu unterstützen (Betriebsart „Halten”).
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6 zeigt die zweite Konfiguration, also die Bestückungsvariante 3-polig für die Betriebsart „Abfall”. Hierbei wird eine positive Spannung zwischen dem Pin AB und GND angelegt. Unmittelbar nach dem Anlegen der positiven Spannung U ist der erste Schalter S1 geschlossen, also stromleitend, wodurch sich ein Strom ISP1 von AB zum Terminal 56-2 der Spule SP1, von dort durch die Spule SP1 zum Terminal T 56-1 der Spule bzw. zum Pin AN und von dort wiederum durch den Schalter S1 nach Masse GND ergibt. Durch die zweite Spule SP2 kommt kein Stromfluss zustande, da der Knoten AN nun auf Masse GND liegt.
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Für die Wirkungsweise der ersten und zweiten Konfigurationen der Schaltungsanordnung ist es unerheblich, ob Spule SP1 die Kernspule und Spule SP2 die Jochspule ist oder umgekehrt. Beide Schaltungsvarianten sind für Impulsbetrieb und Dauerbestromung z. B. aus Sicherheitsgründen gleichermaßen geeignet. Alle Schaltungsvarianten funktionieren ordnungsgemäß, wenn die Impulsdauer größer, gleich oder kleiner der durch das RC-Glied vorgegebenen Schaltzeiten ist.
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Die Steuerströme bzw. Steuersignale sind in den bis durch gestrichelte Pfeile angedeutet.
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Nachfolgend werden weitere vorteilhafte Ausgestaltungen eines Impulsmagnetventils beschrieben, die in synergetischer Weise eine Kombination aus der Schaltungsanordnung gemäß Aspekten der Erfindung mit einem Impulsmagnetventil ermöglichen. Die Schaltungsanordnung und das Impulsmagnetventil können in einer Vorrichtung angeordnet sein. Insbesondere können so die Herstellungskosten verringert und auch der Stromverbrauch gesenkt werden.
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In 7a ist die Koppelung der Abschnitte 42, 44 des Jochbolzens 40 gemäß der Ausführungsform nach 1 noch einmal dargestellt.
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Die Ausführungsform nach 7b entspricht der nach 7a, wobei hier jedoch der Spulenkörper 38 keine Aufweitung wie in 7a besitzt, sondern innenseitig einen gleichbleibenden Durchmesser hat. Hier sind entsprechend die Außenabmessungen des Permanentmagneten 46 identisch zu denen der Abschnitte 42, 44.
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Das Befestigungselement 54 kann ebenso ausgeführt sein wie nach 7a, also als separater Stift, vorzugsweise Spiralspannstift, der aus magnetischem oder nichtmagnetischem Material sein kann und ausschließlich durch Presspassungen, ohne Kleber oder dergleichen an den Abschnitten 42, 44 arretiert ist.
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Die Ausführungsform nach 7c sieht kein separates Befestigungselement 54 vor, sondern ein Befestigungselement 54' in Form eines vom Abschnitt 44 abstehenden Vorsprungs, der in eine Ausnehmung im Abschnitt 42 ragt und dort befestigt ist, beispielsweise ebenfalls über eine Presspassung.
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Bei der Ausführungsform nach 7d sind entweder mehrere am Rand vorgesehene Befestigungselemente 54' in Form von einstückigen Fortsätzen am Abschnitt 44 vorgesehen. Alternativ hierzu kann das Befestigungselement 54' als Ringfortsatz, der ebenfalls einstückig am Abschnitt 44 angeformt ist, ausgeführt sein. Der Ringfortsatz nimmt dann den Permanentmagneten 46 auf.
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Auch bei diesen Ausführungsformen ist stets vorgesehen, dass der Permanentmagnet 46 ohne Luftspalt, ohne Kleber oder dergleichen unmittelbar und vollflächig an den Abschnitten 42, 44 des Jochbolzens anliegt.
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Die Ausführungsform nach den 8a und 8b, die jeweils einen Halbschnitt auf einer Seite der Mittelachse A des Jochbolzens 40 im Bereich des Permanentmagneten 46 zeigt, hat ein Befestigungselement 54 aus magnetischem Material, insbesondere weichmagnetischem Material. Dadurch wird ein magnetischer Bypass gebildet, sodass das Befestigungselement eine Doppelfunktion hat.
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Die Funktionsweise des Magnetventils wird zuerst mit und anschließend ohne Bypass erläutert.
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Im Ausgangszustand, der in 1 gezeigt ist, sind beide Spulen 22, 36 stromlos, der Dichtsitz 10 ist geschlossen, da die Feder 16 den beweglichen Magnetkern 12 gegen den Dichtsitz 10 drückt.
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Der Permanentmagnet 46 ist so ausgerichtet, dass die durch ihn ausgeübte Haltekraft in Abheberichtung des beweglichen Kerns 12 gerichtet ist. Die zum Abheben erforderliche Kraft ist jedoch im Ausgangszustand nicht ausreichend.
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Durch Anlegen einer Anzugsspannung an eine oder beide Spulen 22, 36 wird im Magnetkreis ein Magnetfeld aufgebaut, das zum Feld des Permanentmagneten 46 gleichgerichtet ist. Die Gesamtmagnetkraft im Magnetkreis wird größer als die entgegengesetzt gerichtete Federkraft, sodass der bewegliche Magnetkern 12 angehoben wird und sich in Richtung zum Stopfen 30 bewegt. Der Luftspalt 34 wird vorzugsweise geschlossen. Im jetzt geöffneten Zustand des Ventils ist keine Bestromung der Spulen 22, 36 mehr notwendig, da die Haltekraft des Permanentmagneten 46 ausreicht, den Magnetkern 12 gegen die Kraft der Feder 16 angezogen zu halten.
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Beim Abfallen, das heißt Schließen des Ventils wird der oder den Spulen 22, 36 ein sogenannter Abfallstrom zugeführt, der in entgegengesetzter Richtung zum sogenannten Anzugsstrom fließt, wodurch sich im Magnetkreis ein Magnetfeld aufbaut, das dem des Permanentmagneten 46 entgegen gerichtet ist. Sobald die Gesamtmagnetkraft geringer ist als die entgegenwirkende Federkraft, fällt der Magnetkern 12 in seine Ausgangsstellung ab.
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Die bevorzugte Ausführungsform der Erfindung sieht vor, dass die Spulen 22, 36 beim Anzugsvorgang parallel geschaltet sind und beim Abfallen nur eine Spule bestromt wird, vorzugsweise die Kernspule 22, also die erste Spule SP1 im vorliegenden Kontext.
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Mit der Parallelschaltung beim Anzug werden größere Magnetkräfte im Vergleich zu einer herkömmlichen Einspulenlösung erzeugt, was größere Nennweiten ermöglicht oder in höhere zu schaltende Drücke umgesetzt werden kann.
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Die Besonderheit der Befestigungselemente 54 in Form von Stiften besteht darin, dass diese Stifte es erlauben, das Ventil sehr einfach und kostengünstig auf unterschiedliche Anwendungserfordernisse abzustimmen. Dies kann über die Geometrie, aber auch über die Materialeigenschaften des Stiftes erfolgen.
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In 9 ist der Verlauf der Magnetkraft im Magnetkreis dargestellt, und zwar mit der Kurve 60 der Verlauf mit einem Befestigungselement 54 aus nichtmagnetischem Material. Auf der X-Achse ist der Stromfluss durch die Spulen 22, 36 (oben SP1, SP2) dargestellt. Wenn keine Spannung anliegt und die Stromstärke 0 ist, sorgt der Permanentmagnet 46 für eine gewisse Magnetkraft. Wird eine oder werden beide Spulen 22, 36 anschließend so bestromt, dass das dadurch erzeugte Magnetfeld im Jochstopfen 40 gleichgerichtet zu dem des Dauermagneten ist, erhöht sich die Magnetkraft stetig. Dies wird durch die rechte Hälfte der Kurve 60 dargestellt.
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Wird eine oder werden beide Spulen 22, 36 in Gegenrichtung bestromt, so fällt die gesamte Magnetkraft im Magnetkreis erst ab, und zwar bis zum Erreichen des Nullwerts der Magnetkraft, um dann anschließend wieder anzusteigen. Zu beachten ist aber, dass in dem Moment, ab dem die Magnetkraft kleiner als die gegenwirkende Federkraft wird, der bewegliche Kern abfällt und das Ventil geschlossen wird. Das anschließende Ansteigen der Magnetkraft über einen kritischen Wert bei betragsmäßig größer werdendem Abfallstrom kann durch eine darauf angepasste Spulenauslegung verhindert werden. Bei der Spulenauslegung muss darauf geachtet werden, dass der Spulenwiderstand so groß ist, dass der Spulenstrom und damit die Magnetkraft, nicht über den kritischen Wert ansteigt, der zum ungewollten Wiederanziehen des beweglichen Kernes führen würde. Der stationäre Endwert des Abschaltstromes zu Ende des Abfallimpulses sollte deshalb nahe I0 liegen.
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Ist das Befestigungselement 54 aus magnetischem Material, wie in den 8a und 8b gezeigt, ergibt sich ein magnetischer Bypass über das Befestigungselement 54, siehe 8a. Es gibt Magnetlinien (siehe Flussdichtevektoren in 8a), die von einer Seite des Permanentmagneten 46 direkt über das Befestigungselement 54 zur gegenüberliegenden Seite reichen und nicht längs des Magnetkreises über das Joch verlaufen.
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Der magnetische Bypass führt zu einer mehr oder weniger starken Reduzierung der Haltekraft. Werden die Spulen 22, 36 in der sogenannten positiven Richtung, das heißt gemäß 9 nach rechts, also zur Unterstützung des Permanentmagneten 26 bestromt, wird der vom Dauermagneten erzeugte Magnetflussanteil im Eisenkern durch den von den Spulen 22, 36 erzeugten Magnetfluss in gleicher Richtung überlagert (8a). Die Verhältnisse am Bypass bleiben so wie in 8a gezeigt, solange der von den Spulen 22, 36 erzeugte Magnetfluss kleiner ist als der Magnetfluss des Permanentmagneten 26 (siehe die Flussdichtevektoren in 8a). Bis zu diesem Zeitpunkt sieht man anhand von 9, dass die Magnetkraft bei der Kurve 62, die das entsprechende Impulsmagnetventil mit magnetischem Befestigungselement 54 zeigt, geringer ist als bei der Kurve 60. Erreicht die Stromstärke den Wert I2, ist ein Punkt erreicht, an dem der Dauermagnetfluss und der durch die Spulen 22, 36 erzeugte Magnetfluss gleich groß sind. Damit geht kein Magnetfluss mehr über den vorhergehenden Bypass.
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Mit weiter ansteigender Stromstärke (siehe 8b) ändert sich die Magnetfeldrichtung im Befestigungselement 54. Man erkennt anhand des Kurvenverlaufs in 9, dass das magnetische Befestigungselement 54 positive Auswirkungen auf den Kurvenverlauf hat, indem es die Anzugskraft erhöht sowie die Kurve und den Nullpunkt der Magnetkraft verschiebt. Mit der Auslegung des Befestigungselements 54 über Magnetmaterial, Querschnittsfläche oder auch indem das Befestigungselement wahlweise aus Vollmaterial oder als Hohlkörper ausgeführt ist, lässt sich die sogenannte Kraft-Strom-Kurve beliebig anpassen. Damit lassen sich die Anforderungen der jeweiligen Applikation sehr einfach erfüllen, ohne dass dies eine Auswirkung auf die übrigen Teile hat.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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